Раздел 2. Виды и методы измерений.

Измерение – это многооперационная процедура и для его выполнения необходимо осуществление основных измерительных операций: воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования.

Воспроизведение величины заданного размера - это операция создания выходного сигнала с заданным размером информативного параметра. Эта операция реализуется средством измерений – мерой.

а б

Рис. 1.1. Меры: а – одноканальная нерегулируемая мера; б – одноканальная регулируемая мера.

Одноканальная нерегулируемая мера (рис. 1.1. а) воспроизводит величину одного неизменного размера. Одноканальная регулируемая мера (рис. 1.1. б) воспроизводит в данный момент величину одного известного размера, который может изменяться.

Сравнение – это определение соотношения между однородными величинами, осуществляемое путем их вычитания. Эта операция реализуется устройством сравнения, или компаратором (см. рис. 1.2).

На рис. 1.3. показан компаратор СА507 предназначенный для измерения величин, которые используются при определении метрологических характеристик трансформаторов тока и трансформаторов напряжения при их поверке и калибровке.

Измерительное преобразование – операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем (см. рис. 1.4).

Выходные сигналы измерительных преобразователей и их информативные параметры унифицированы ГСП. Унифицированными сигналами являются постоянное напряжение 0–10 В, постоянный ток 0–5 мА, 0–20 мА, 4–20 мА.

Рис. 1.5. Измерительный преобразователь Е 846-М1

На рис. 1.5. представлен Измерительный преобразователь Е 846-М1, предназначенный для контроля текущего значения постоянного тока в системах автоматического регулирования и управления объектов электроэнергетики, машиностроения, металлургической, нефтяной и других отраслей промышленности с передачей информации как в управляющие вычислительные машины, так и на приборы непосредственного отсчета или устройства визуального контроля.

Масштабирование – это создание выходного сигнала, однородного с входным, размер информативного параметра которого пропорционален в К раз размеру информативного параметра входного сигнала. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем.

Рис. 1.6. Одноканальный нерегулируемый масштабный преобразователь

На рис. 1.6. показана схема одноканального нерегулируемого масштабного преобразователя, отличительной чертой которого является постоянство коэффициента преобразования К_МП. На схеме Х – входная величина, Х₁ – выходная величина.

Виды измерений.

В зависимости от способа получения результата измерения делятся на: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относится нахождение значения напряжения, тока, мощности и т.д. по шкале прибора.

Косвенные - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной математической зависимости между этой величиной и величинами, которые подвергаются прямым измерениям. К косвенным измерениям относится определение значения активного сопротивления R резистора (R = U / ) на основе прямых измерений силы тока  через резистор и падения напряжения U на нем (см. рис. 1.7).

Хотя косвенные измерения сложнее прямых, они широко применяются в практике измерений, особенно там, где прямые измерения практически невыполнимы, либо тогда, когда косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

Совокупные – измерения, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений из нескольких одноименных величин, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. К совокупным измерениям относится, например, нахождение массы отдельных гирь набора по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний этих гирь. При наличии равноплечных весов, одной образцовой гири массой 1 кг и мелких гирь с массами x_a, x_b и др. путем проведения совокупных измерений и решения совокупности линейных уравнений можно определить массы гирь набора x₁, x₂:

х₁=1кг+х_а

х₂=х₁+1кг+х_b

Из полученных уравнений с двумя неизвестными определяют точные значения масс рабочих гирь данного набора.

Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин как и в случае совокупных измерений определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом. Число уравнений соответствует числу искомых величин. Например, по результатам прямых измерений значений сопротивления терморезистора при двух различных температурах позволяют решением системы уравнений рассчитать значения двух коэффициентов α и β .

rt₁ = rt₀[1 + α(t₁ - t₀) + β(t₁ - t₀)2]

rt₂ = rt₀[1 + α(t₂ - t₀) + β(t₂ - t₀)2]

Методы измерения. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений составляют метод измерения. Все методы измерений подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки (метод прямого преобразования) и метод сравнения (метод уравновешивающего преобразования).

Метод непосредственной оценки (отсчета) заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию прибора, заранее отградуированного в единицах измеряемой величины. Этот метод отличается своей простотой, его точность определяется классом точности используемого прибора.

Методы сравнения (с мерой) - это все методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной воспроизводимой мерой. Эти методы сложны, но характеризуются высокой точностью. Методы сравнения включают в себя дифференциальный метод, нулевой метод, метод противопоставления, метод замещения и метод совпадений.

Дифференциальный (разностный метод) заключается в том, что измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, незначительно отличающейся от измеряемой величины, при этом оценивается разность между этими двумя величинами. Точность метода возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами. Например, при измерении параметров цепи: сопротивления, индуктивности, емкости и др.

Рис. 1.8. Дифференциальный, или разностный метод

При дифференциальном методе измеряемая величина измеряется в два этапа. На первом этапе измеряется большая часть ее с помощью меры, близкой по значению к Х, с большими ступенями (см. рис. 1.8). В конце первого этапа с помощью регулируемой меры создается величина X₁=X_NΔX_m, однородная с Х и близкая по значению. Затем создается разность ΔX=X-X₁, которая во втором этапе измеряется прибором – комплексным средством измерения, а результаты суммируются.

Нулевой метод является частным случаем дифференциального метода и заключается в том, что результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводится до нуля. Например, мостовой метод измерения сопротивления, индуктивности, емкости и др.

Этот метод основан на использовании одноканальной регулируемой меры и устройства сравнения (см. рис. 1.9). Уравнение метода: X = X₀K_Mp, где Х₀ – числовое значение меры;

К_Мр – коэффициент преобразования меры.

Метод противопоставления (компенсационный) состоит в том, что измеряемая величина и противопоставляемая ей образцовая мера одновременно воздействуют на прибор сравнения, по которому устанавливают их соотношение. В схеме измерения имеются два источника напряжения. Например, компенсационный метод измерения э.д.с. или напряжения.

Метод замещения заключается в том, что измеряемая величина замещается в измерительной схеме регулируемой образцовой мерой так, что никаких изменений в состоянии измерительной схемы не происходит, т.е. показания прибора будут те же, что и при включении измеряемой величины. Например, при измерении индуктивности, емкости.

Рис. 1.10. Схема метода замещения.

Метод совпадений состоит в том, что измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов. Например, для измерения перемещений, периода, частоты.

Рис. 1.11. Схема метода совпадений.